一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法与流程

本发明涉及一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法，属于电力系统安全分析技术领域。

背景技术：

随着我国能源互联网的发展战略的提出，学术界已开展了许多相关领域的研究。能源互联网可看作是由传统电力系统、分布式新能源。通讯网络等组成的具有互动性的电网物理信息融合系统，其中信息的安全性是保证能源互联网健康发展的垫脚石。基于智能电网信息技术平台的迅速发展，网络攻击是利用电力二次系统的信息网络安全漏洞对系统进行的攻击，电力通讯异构网络或者数据采集监控网络以及远程终端单元(RTU)是其攻击的直接目标。因为电力系统正常运行依赖于二次系统的可能性极高，所以网络攻击威胁到电力系统的安全稳定运行的可能性极大。另外，对电力系统二次网络攻击相对于一次网络具有以下几个优点：攻击范围广、攻击对象多、成本较低、攻击行为隐蔽等。因此网络攻击对电力系统来说已经成为一种不可忽视的威胁。

在电力系统中电压质量是衡量电能质量的关键要素，而配电网担负着为社会各行各业分配电能的重要职责，它能否安全、稳定、可靠地运行直接关系到经济民生。近年来随着智能电网信息技术的发展，电力系统二次系统遭到网络攻击的可能性日益增大。因此，研究网络攻击下有载变压器调压对电压稳定的作用显得很有价值与意义。

有载调压变压器是一种能在带负荷的情况下进行变比调节的变压器，电网中各节点电压都随着负荷变化而变化。在电能的传输中，会有电压损失和功率损耗，离电源越远，电压偏差和功率损耗越大。另外，电压偏移的大小可以影响到电气设备的使用效率和使用寿命，因此电力系统普遍采用有载调压手段，保证电力系统的稳定运行。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法，在分析了调压过程中有载调压变压器的离散事件及负载的连续动态行为后，利用可编程时序petri网可以将离散与连续这两个不同性质的动态行为在建模过程中结合起来的特性，对调节过程的离散行为进行建模，再结合描述负荷变化这一连续动态行为的数学模型，从而得出电力系统在受到网络攻击后的混杂数学模型。本发明的方法不仅证明了有载变压器在配电系统中对电压的调节能够起到积极作用，也有利于解决混杂系统的大扰动问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法，包括以下几个步骤：

步骤1，根据电力系统中负荷变化的动态行为和混杂行为(混杂行为即调压器进行调节的离散行为所组成的)，确定出描述系统的连续状态变量和离散状态变量；

步骤2，利用petri网对电力系统中，对有载调压变压器的离散动态行为进行数学描述，建立起描述离散动态行为的petri网模型；

步骤3，对负荷变化的连续行为进行数学描述，用微分方程来刻画连续状态并利用变迁条件刻画约束条件；

步骤4，模型仿真与分析。

步骤1中，有载调压器在电压发生扰动时自动调节过程中，所述连续状态变量为用户侧负荷的动态变化，所述离散状态变量为有载调压器的动态行为。

步骤1中，负荷变化时，所述连续状态变量为有功和无功所述离散状态变量为变压器分接头位置n。

步骤2中，对有载调压变压器的离散动态行为进行数学描述后的数学模型如下：

其中，V2为负荷侧电压、n(k)表示第k次调节分接头时有载调压器的变比；d表示变压器变比调节步长；ΔV表示电压偏差；Vr为参考电压；f(ΔV)表示分接头上调或下调，这一行为采用时序控制方式，在此控制方式下f(ΔV)表达式如下：

其中，VDB为死区电压，t为延迟时间、Td为计时器延时、Tm为机械延时，表示分接头完成切换这样一个物理运动所需要的延时。

步骤2中，利用petri网中的元素建立起描述离散动态行为的petri网模型，所述元素包括库所、变迁和有向弧。

上述petri网模型的调节过程如下：

受到攻击后，切除一条线路，当有载调压变压器二次侧母线电压V2将过低，即且位置Pup中权标不为0时，变迁T4被激活，位置Pok权标变为0，位置Pup中权标不变，位置t2中权标增加1；经过设定的延时后，如果电压恢复到正常范围或者系统闭锁，则位t2中权标减小1变为0，变迁T5被激活，位置Pok权标恢复为1；如果经过延时后电压依旧过低，且位置Pup中权标不为0，则变迁T6被激活，位置Pup和t2中权标减小1，位置Pdown和Pok中权标均增加1，回到初始状态，重新检测电压偏差；如果经过连续调高电压后，位置Pup中权标为0，则变迁T4不能激活，即有载调压变压器不能通过分接头上调电压；其中位置Pok用于描述电压正常时有载调压变压器的状态；位置Pup和位置Pdown分别描述有载调压变压器在允许上调和下调电压时的状态；位置t1和t2分别描述有载调压变压器进入上调和下调的延时状态；变迁T1、T2、T3均描述变压器分接头的降压调节过程；变迁T4、T5、T6均描述变压器分接头的升压调节过程；nstep为变压器分接头数目。

步骤3中，负荷变化的连续行为的数学模型利用微分方程描述如下：

利用变迁条件刻画的约束条件如下：

本发明的方法利用离散事件动态理论对混杂电力系统过程中的离散事件动态行为进行建模，能更精确地描述离散事件动态与电力系统连续动态的相互交织过程。其中，Petri网模型具有直观、形象的优点，又是严格定义的数学对象，既可以用于静态的结构分析，又可以用于动态的行为分析，具有灵活的建模和强大的系统性能分析能力。另外，有载调压变压器的控制器具有离散动作、延时调节等动态特性。这些特性都有利于进行分析和电压控制。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是进行仿真的简单OLTC电力系统图；

图3是简单Petri网的有载变压器离散调节模型；

图4是PTPN模型的逻辑层示例图；

图5是PTPN模型的连续层示例图；

图6是系统仿真时的程序设计流程图；

图7是示例一中负荷侧电压V2的变化曲线；

图8是示例一中OLTC变比变化的曲线；

图9是示例二中负荷侧电压V2的变化曲线；

图10是示例二中OLTC变比变化的曲线。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明提出了一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法，该方法在分析了调压过程中有载调压变压器的离散事件及负载的连续动态行为后，利用可编程时序petri网可以将离散与连续这两个不同性质的动态行为在建模过程中结合起来的特性，对调节过程的离散行为进行建模，再结合描述负荷变化这一连续动态行为的数学模型，从而得出电力系统在受到网络攻击后的混杂数学模型。这种方法不仅证明了有载变压器在配电系统中对电压的调节能够起到积极作用，也有利于解决混杂系统的大扰动问题，

本发明提供一种基于Petri网的在网络攻击下稳定负载侧电压的方法，如图1所示：首先，对给出的电力系统的动态过程和混杂行为进行分析，确定出描述系统的连续状态变量和离散变量；其次，利用petri网对系统的离散动态行为进行描述，建立起离散行为的petri网模型；之后将对连续行为的描述加入到petri网模型中；最后用合式公式中的逻辑命题来刻画连续状态和约束条件，并进行程序的设计和模型的仿真分析。

本发明提出的方法解决了混杂电力系统动态行为不容易分析的问题，此种方法可广泛应用于电力系统故障时的电压调整。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：

本实施例中以简单OLTC电力系统为例进行程序设计与仿真分析，电力系统如图2所示。结合图3，则可知有载变压器离散调节过程如下(以电压降低为例)：

受到攻击后，假设切除一条线路，当有载调压变压器二次侧母线电压V2将过低，即且位置Pup中权标不为0时，变迁T4被激活，位置Pok权标变为0，位置Pup中权标不变，位置t2中权标增加1。经过设定的延时后，如果电压恢复到正常范围或者系统闭锁，则位t2中权标减小1变为0，变迁T5被激活，位置Pok权标恢复为1。如果经过延时后电压依旧过低，且位置Pup中权标不为0，则变迁T6被激活，位置Pup和t2中权标减小1，位置Pdown和Pok中权标均增加1，回到初始状态，重新检测电压偏差。这里需要注意的是，如果经过连续调高电压后，位置Pup中权标为0，则变迁T4不能激活，也就是说有载调压变压器不能通过分接头上调电压。其中位置Pok用于描述电压正常时有载调压变压器的状态；位置Pup和位置Pdown分别描述有载调压变压器在允许上调和下调电压时的状态；位置t1和t2分别描述有载调压变压器进入上调和下调的延时状态；变迁T1、T2、T3均描述变压器分接头的降压调节过程；变迁T4、T5、T6均描述变压器分接头的升压调节过程；nstep为变压器分接头数目。

电力系统参数见表1，PTPN模型中的参数见表2，

表1简单申力系统参数表

表2 PTPN模型中参数设置

将表1参数代入负荷变化的连续模型，将表2中的参数代入有载调压器的离散模型中即可化简得到如下的微分方程：

通常有载调压变压器具有5个、7个、9个分接头，甚至更多，本发明我们假设OLTC有5个分接头，即VN，(1±2.5％)VN，(1±5%)VN。下面我们用含其中三个分接头的简单PTPN模型来详细分析调节过程：图4所示的PTPN模型的逻辑层由5种模式组成，用简单Petri网来表示。即库所集合为P＝{n3，n1，n0，n2，n4}，也就是说每种运行模式对应一个分接头位置。n0表示正常运行时系统的运行模式；n1，n3表示分接头下调对应的运行模式；n2，n4表示分接头上调对应的运行模式。变迁集合T＝{TU1，TU2，TU3，TU4}表示分接头上调切换过程，T＝{TD1，TD2，TD3，TD4}表示分接头下调切换过程。

图5所示的PTPN模型的连续层由库所、变迁、输入弧和输出弧映射函数WFF来定义，具体如下：

lp(n0)定义了变比为n的电力系统连续动态，即其他运行模式下的WFF表达式与lp(n0)的表达式相同，只是变比n不同。lI(p，t)定义了模式切换的约束条件，我们以正常运行模式lp(n0)为参考，分别描述分接头升高lp(n2)至和降低lp(n1)时的变迁条件，图5中变迁条件具体如下式：

式中ntap表示变压器对应抽头下的变比。

具体程序设计流程如图6所示：首先假设系统开始是在稳定运行的情况下，此时采取前推回代的方法并利用已给定的末端负荷和首端电压来计算潮流，求得系统的连续变量(V2，xp，xq)稳态值作为求解动态微分方程的初始值；然后当系统受到网络攻击后，线路因为故障可能切除一条线路，也可能在正常运行状态下增加一条线路运行，从而使得线路阻抗大小发生变化，潮流随之变化；接着就是求解动态微分方程，设定自变量时间变化的步长h＝0.1s，当线路阻抗XL发生变化，求得的负荷侧电压V2发生变化，如果满足变压器分接头调节的条件，然后变压器分接头按0.01的步长开始进行调节。接着带入一开始求得的稳态电压V2(t)，此时通过式(5.4)、(5.5)可以求得变化一个h后的xp(t+h)，xq(t+h)，然后再将其代数上述潮流计算过程中重新计算潮流，得到电压V2(t+h)，以此类推，程序进行迭代循环计算，直至电压调节至满足条件达到稳态，这时求解过程结束，跳出循环。

本发明采用欧拉(Euler)法，化简式(5.1)动态微分方程得到：

本发明利用两个示例展示了方法的合理性，示例一即在图2所示的简单电力系统中，让线路L1在20s时因遭受网络攻击而发生故障，然后被迫切除，则XL从0.15变到0.3，将已建好的有载变压器PTPN模型放入系统中，此时仿真得到母线电压V2和变压器变比n的变化曲线分别如图7和图8。示例二即在图2所示的简单

电力系统中，修改一下表1中线路的参数，令XL1＝1.1，XL2＝0.4，假定此时的系统亦可以正常运行。一开始系统只有一条线路L1在投入运行，此时线路电抗XL为1.1；系统被攻击后，线路L2在20s时突然投入到系统中，这时XL从1.1变到0.3，此时仿真得到母线电压V2和变压器变比n的变化曲线分别如图9和图10。

根据仿真结果我们得到如下结论：无论是在线路被切除还是增加线路的情况下，有载调压变压器都能够很稳定的将负荷侧电压调整至一个稳定的状态，因此我们验证的仿真结果是正确的。本发明所建立的有载调压变压器数学模型是比较可行的，对维持电压的稳定有显著的效果。所以说，有载变压器在电力系统中，尤其是在配电系统中的作用是无可厚非的，对当今维持配电网中电压稳定起到了积极的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。